八路数字抢答器毕业设计

摘 要在智力竞赛等场合，常需要一种反应灵敏、显示方便的抢答装置。在对数字集成电路研究的基础上，设计了一种八路数字抢答器，该抢答器包括抢答、编码、优先、锁存、数显、复位及报警电路。本设计采用CD4511芯片来实现译码锁存和led驱动功能，通过蜂鸣器实现报警功能，并采用220V转+5V转换电路为系统供电。软件仿真和硬件实验的结果表明了该系统能实现八路抢答器的功能，且具有反应灵敏、操作简便、实用性强等特点，具有一定的实用价值。 更多还原关键词：抢答器；编码；译码；锁存AbstractIn the quiz and other occasions, often require a responsive, easy to display and answer device. Based on the study of digital integrated circuits Designed an eight-way digital Responder, the Responder include Responder, coding, priority, latches, digital display, reset and alarm circuits. The design adopts CD4511 chip to achieve decoding latch and led driver functions, achieve alarm function by the buzzer and uses 220V switch +5 V conversion circuit to power the system. Software simulation and hardware experimental results show that the system can achieve eight Responder functionality, and has a responsive, easy operation, practical features, has some practical value.Key words : Responder; coding; decoding; latch目 录1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 研究目的和意义11.3 课题研究的内容12 抢答器的工作原理32.1 系统的主要功能32.2 抢答器的基本工作原理32.3 抢答器系统的分析32.4 抢答器的工作流程43 硬件电路设计53.1 总体设计方案53.2 抢答器设计中的数字编码电路53.3 抢答器设计中的译码/优先/锁存电路73.4 抢答器设计中的数码显示电路114.软件仿真134.1 软件测试定义和目的134.2 Proteus仿真135.硬件电路的测试与焊接165.1 硬件测试定义和目的165.2 焊接165.3 硬件电路调试185.4 调试中出现的问题及解决方法196 总结与展望20参考文献21致 谢22附 录23III1 绪论1.1 课题研究的背景抢答器是一种应用非常广泛的设备，在各种竞赛、抢答中，可迅速、客观地分辨出最先获得发言权的选手。早期的抢答器只由几个三极管、可控硅、发光管等组成，能通过发光管的指示辩认出选手号码，但是由于早期的三极管等电子元件的制造技术及设备的落后，往往导致电路性能不稳定，抢答器不能正常工作。随着技术的进步及电子制造工艺的发展，性能稳定的集成电路逐渐占据了电路市场的主流，因而现在大多数抢答器均使用单片机(如MCS-51型)和数字集成电路。本设计利用中规模数字集成电路及外围接口实现的抢答系统，使得系统能够正确地进行计时，同时使数码管能够正确地显示时间和选手号码。用开关做键盘输出，扬声器发声提示。所以，系统需达到以下要求：在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答则为无效；正确按键后有音乐提示；按键锁定，在有效状态下，其他按键无效非法；电源电路采用220V交流转+5V直流供电，更贴近实际应用。1.2 研究目的和意义本设计的关键技术在于准确判断出第一抢答者的信号并将其锁存。实现这一功能可选择使用锁存器实现。在得到第一信号之后立即将电路的输入封锁，致使其他组的抢答信号无效。但是，第一抢答信号应该在主持人发出抢答命令之后才有效。通过这次设计，掌握编码器、译码器、led驱动电路、扬声器发声电路及电源转换电路的原理，了解抢答器组成原理，初步掌握多功能抢答器的调整及测试方法。同时通过本设计与仿真进行调试，提高自己的动手能力，巩固已学的理论知识，建立数字电路理论和实践的结合，了解多功能抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计各个单元电路，为今后利用数字集成电路设计其他功能的设备奠定坚实的基础。1.3 课题研究的内容 本八路抢答器采用CD4511集成芯片来实现功能要求，在抢答过程中，每个选手都有一个抢答按钮。在主持人按下复位键宣布抢答开始的时候，选手就开始进行抢答，在指定时间内选手进行抢答，数码显示屏上会显示最先抢答选手的编号。如果主持人没有按下开始键而选手就抢答视为犯规，数码显示屏显示犯规者的编号，扬声器持续发声。主持人可按复位键，新一轮抢答开始。 通过比较发现，采用数字电路技术设计的抢答器与目前常用的抢答器相比优点有很多。首先，设计电路连接简单，因为采用了CD4511集成芯片进行设计的，大多数功能单元都能通过数字电路完成。第二，工作性能可靠，抗干扰能力较强。所以本设计采用了基于数字电路技术的设计方案。202 抢答器的工作原理2.1 系统的主要功能八路抢答器的主要功能有如下三点： (1) 同时供8名选手参加比赛，其相应的编码分别是1、2、3、4、5、6、7、8，各用一个抢答按钮，按钮的编号与选手的编号相对应。 (2) 给主持人设置一个控制开关，用来控制系统的清零（编号显示数码管灭灯）和抢答的开始。 (3) 抢答器具有数据锁存和显示的功能。抢答开始后，若有选手按动抢答按钮，编号立即锁存，并在LED数码管上显示出选手的编号，同时扬声器给出音响提示。2.2抢答器的基本工作原理电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。而报警电路则是起到提示作用。其工作原理为：接通电源后，当主持人按下复位键，宣布开始。选手即开始抢答，当选手按下抢答键后，抢答器完成：编码、优先锁存、译码、数码显示。当一轮抢答之后，只有主持人按下复位键，才能进行下一轮抢答，否则抢答无效。 如图2-1所示为抢答器的结构框图。图2-1 抢答器结构框图2.3 抢答器系统的分析 (1) 在抢答中，只有开始后抢答才有效，如果在开始抢答前抢答则为无效。 (2) 可以显示是哪位选手有效抢答，正确按键后有讯响声。 (3) 按键锁定，在有效状态下，选手按键无效。 (4) 只有主持人按下复位键，下一轮抢答才能开始进行。2.4 抢答器的工作流程抢答器的工作流程：在上电之后，系统开始运行，在抢答过程中，会有多个信号同时或不同时送入主电路中，抢答器内部电路和CD4511集成芯片会开始工作，并识别、记录第一个号码。在抢答器工作过程中，编码电路、优先锁存译码电路、显示电路、报警电路都会运行。抢答器的工作流程分为正常抢答流程、主持人复位等几部分，如图2-2所示。上电运行主持人按下复位键复位键未按下前有选手抢答开始开始数码管显示0无效有选手抢答数码管上显示抢答选手编号，并且报警电路发出讯响声选手开始回答问题图2-2 抢答器的工作流程3 硬件电路的设计3.1 总体设计方案蜂鸣器模块电源数码管显示模块 复位按键CD4511控制模块按键模块 图3-1 总体结构框图由图3-1可知，本设计主要包括CD4511控制模块、数码管显示模块、蜂鸣器模块、按键模块等四个主要模块，现将每个模块的功能介绍如下：（1）CD4511控制模块的主要是完成对信号的编码、译码、优先锁存、驱动数码管显示模块及驱动蜂鸣器模块等功能。（2）数码管显示模块主要是完成接收CD4511控制模块译出的信号以及显示抢答成功人的数字功能。（3）蜂鸣器模块主要是完成接收CD4511控制模块发出的控制信号并发出凤鸣信号的功能，表示已经有人抢答成功。（4）按键模块主要是完成对八个人的抢答进行反映的功能。3.2 抢答器设计中的数字编码电路由系统的总体结构框图出发，本设计的总体电路原理图如图3-2所示。 图3-2总体电路原理图 参考图3-2可知，S1S8组成18路抢答器，D1D12组成数字编码器。该电路完成的功能是：将二极管编码成为BCD码，将高电平加到CD4511所对应的输入端。从CD4511的引脚可以看出，引脚6，2，1，7分别为BCD码的 D、C、B、A位（D为高位，A为低位，即D、C、B、A分别代表BCD码8、4、2、1位）。引脚图如33所示。 图3-3 CD4511引脚图 工作过程：当电路上电，主持人按下复位键，选手就可以开始抢答。当选手1按下S1抢答键，高电平通过编码二极管D1加到CD4511集成芯片的7脚（A位），7脚为高电平，1、2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0001”；当选手2按下S2抢答键，高电平通过编码二极管D2加到CD4511集成芯片的1脚（B位），1脚为高电平，2、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0010”；当选手3按下S3抢答键，高电平通过编码二极管D3、D4加到CD4511集成芯片的1、7脚（B、A位），1、7脚为高电平，2、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0011”；当选手4按下S4抢答键，高电平通过编码二极管D5加到CD4511集成芯片的2脚（C位），2脚为高电平，1、6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0100”；当选手5按下S5抢答键，高电平通过编码二极管D6、D7加到CD4511集成芯片的2、7脚（C、A位），2、7脚为高电平，1、6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0101”； 当选手6按下S6抢答键，高电平通过编码二极管D8、D9加到CD4511集成芯片的1、2脚（B、C位），1、2脚为高电平，6、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0110”； 当选手7按下S7抢答键，高电平通过编码二极管D10、D11、D12加到CD4511集成芯片的1、2、7脚（B、C、A位），1、2、7脚为高电平，6脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“0111”； 当选手8按下S8抢答键，高电平加到CD4511集成芯片的6脚（D位），6脚为高电平，1、2、7脚保持低电平，此时CD4511输入BCD码为“1000”。 输入的BCD码就是键的号码，并自动地由 CD4511内部电路译码成十进制数在数码管上显示。编码电路如图3-4所示。图3-4 数字编码系统电路 真值表如表3-1所示。表3-1数字编码电路功能真值表输入输出S1S2S3S4S5S6S7S8DCBA1000000000010100000000100010000000110001000001000000100001010000010001100000001001110000000110003.3 抢答器设计中的译码/优先/锁存电路 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED（数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。CD4511 是一片 CMOS BCD锁存/7 段译码/驱动器，引脚排列如表3-2所示。其中A、B、C、D为 BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。表3-2引脚排列表输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐01111110000000消隐111XXXX锁存锁存 其功能介绍如下：BI：4脚是消隐输入控制端。当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端。当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。如果该端为低电平，则译码器输出全为高电平，该端拥有最高级别权限，只要它为0，既有上述现象，而与其余所有输入端状态无关。这一功能主要用于测试目的，因此正常使用中应接高电平。 LE：5脚是锁定控制端。当BI、LT为1时，若该端为高电平，则加在A、B、C、D端的外部编码信息不能进入译码，所以译码器的输出状态保持不变；当LE=0时，则A、B、C、D端的BCD码一经改变，译码器就立即输出新的译码值。A、B、C、D：为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。译码驱动功能：编码器实现了对开关信号的编码，并以BCD码的形式输出，为了将输出的BCD码能够显示出来，需要用译码显示电路，选择常用的七段译码显示驱动器CD4511作为译码电路。 CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。锁存优先功能：由于抢答器都是多路即须满足多位抢答者抢答要求，这就有一个先后判定的锁存优先电路，确保第一个抢答信号锁存住。同时数码显示并拒绝后面抢答信号的干扰。CD4511内部电路与Q1，R7，R8，D13，D14组成的控制电路（见表3-3 CD4511真值表）可完成这一功能。当抢答键都未按下时，因为CD4511的BCD码输入端都有接地电阻（10K），所以BCD码的输入端为“0000”，则CD4511的输出端a、b、c、d、e、f均为高电平，g为低电平。通过对0-9这 10个数字的分析（见图3-5锁存优先功能电路图）可以看到，只当数字为0时，才出现d为高电平，而g为低度电平，这时Q1导通，D13、D14的阳极均为低电平，使CD4511的第5脚（即LE端）为低电平“0”，这种状态下，CD4511没有锁存而允许BCD码输入。在抢答准备阶段，主持人会按复位键，数显为“0”态，正是这种情况下，抢答开始，当S1-S8任一键按下时，CD4511的输出端d为低电平或输出端g为高电平，这两种状态必有一个存在或都存在，迫使CD4511的第5脚（即LE端）由0到1，反映抢答键信号的BCD码允许输入，并使CD4511的a、b、c、d、e、f、g 七个输出锁存保持在LE为0时输入的BCD码的显示状态。例如S1按下，数码管应显示1，此时仅e、f为高电平，而d为低电平，此时三极管Q1的基极亦为低电平，集电极为高电平，经D13加至CD4511第5脚（即LE端），即LE由0-1状态，则在LE为“0”时输入给CD4511的第一个BCD码数据被判定优先而锁存，所以数码管显示对应S1送来的信号是1，S1之后的任一按键信号都不显示。为了进行下一题的抢答，主持人需要按下复位键S9，清除锁存器内的数值，数显先是熄灭一下，再复显“0”状态，此后若S5键第一个按下，这时应立即显“5”，与此同时CD4511的输出端14脚g为高电平，10脚d为低电平，12脚b为低电平，Q1截止，并通过D14使CD4511的第4脚为高电平，此时LE呈01状态，于是电路判定优先锁存，后边输入的其它按键信号被封住，可见电路“优先锁存”后，任何抢答键均失去作用。优先锁存功能电路如图3-5所示。 图3-5 优先锁存功能电路图3.4抢答器设计中的数码显示电路共阴式LED数码管的原理图（图3-6数码显示管原理图），使用时，共阴极接地，7个阳极ag由相应的BCD七段译码器来驱动。数码管接0.5寸共阴数码管。图3-6 数码显示管原理图共阴极数码管显示字段码如表3-3所示。表3-3共阴极数码管显示字段显示字符gfedcba0011111110000110210110113100111141100110511011016111110170000111811111114.软件仿真4.1 软件测试定义和目的软件测试是软件开发过程的重要组成部分，是用来确认一个产品是否符合开发之前所提出的一些要求。软件测试的目的：第一是确认软件做的是否达到预期结果以及所做方式是否正确；第二是提供信息，通过软件仿真具体了解各电路模块、元器件和连线在电路中所起的作用及整个电路的工作原理和电路的实际可行性来了解可能出现的问题并及时加以解决。软件仿真主要用Proteus进行，Proteus用法及功能如下：4.2 Proteus仿真软件仿真部分主要用Proteus进行，Proteus软件具有诸多优势：(1) Proteus是一种低投资的电子设计自动化软件，提供Schematic Drawing、SPICE仿真与PCB设计功能，这一点Proteus与Multisim比较相似。只不过它可以仿真单片机和周边设备以及51系列、AVR，PIC等常用的MCU，与Keil和MATLAB不同的是，它还提供了周边设备的仿真，只要给出电路图就可以仿真，例如led，示波器等。Proteus元件库提供了大量的元件，编译方面支持Keil和MATLAB，里面有大量的例子参考。(2) Proteus也可提供仿真元件资源，Proteus软件提供了可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件达30多个元件库。(3) 可提供的仿真仪表资源包括拟仪器仪表的数量、类型和质量，这是衡量仿真软件实验室是否合格的一个关键因素。在Proteus软件中，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。(4) 可提供的调试手段，提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试,包括模拟信号和数字信号。根据原理图，在proteus中将所有器件排列好，器件排列并连接导线见图4-1所示。 图4-1 数字编码系列电路运行仿真调试，复位状态如图4-2所示。图4-2 复位状态图运行仿真调试，按下5时如图4-3所示。图4-3 按下5时仿真电路图5.硬件电路的测试与焊接5.1 硬件测试定义和目的通过查阅资料，选择元器件，实际动手安装、调试等过程，了解和掌握了电子线路设计的一般方法，了解了抢答器各单元电路之间的关系及相互影响，建立了数字电路理论和实践结合的理论基础，巩固和运用在电路与电子技术等设计中所学理论知识技能，提高设计能力和动手能力，从而能正确设计各个单元电路，为以后从事相关工作打下基础。5.2 焊接通过实验原理图进行实物焊接，焊接时能深刻体会到焊接工艺的重要性：各个芯片的引脚功能不能混淆，必须了解各个芯片的使用方法，内部结构以及使用时的注意事项，该接地的一定要接地，且不能有悬空。同时在电路板上要预先确定电源的正负端，便于区分及焊接。正确焊接各芯片个管脚连接必须查阅各种资料并记录，以确保在焊接过程和调试过程中芯片不被烧坏，同时确保整个电路的正确性。在焊接完后每块芯片都用万用表检测，看是否有短接，还有焊接时要尽量使布线规范清晰明了，这样才有利于在调试过程中检查电路。硬件电路所需元件如图5-1所示。电路完成后正面连接如图5-2所示。背面焊接如图5-3所示。5.3 硬件电路调试电路通电运行后，初始状态和复位状态下电路如图5-4所示。有键按下时数码管显示相应的数字，如按下2时显示如图5-5所示。 5.4 调试中出现的问题及解决方法 （1）显示电路不稳定问题完成电路的焊接后，在进入调试阶段时发现抢答器数码管显示选手编号不稳定，主要表现在选手按下抢答键后数码管显示的不是当前选手的号码。因此着手对电路进行检查，首先检查数码管是否节点焊接错误，然后又检查电路芯片的各个管脚，均未发现问题，最后发现当触动某按键连线时显示正常，由此判断可能是因为出现了虚焊，遂将电路各焊点又仔细焊接了一遍，此时电路显示正常。（2）控制开关无法控制电路在调试时发现当按下复位开关后，当前数码管显示始终为7，经过一个多小时用万用表对电路逐个检查，发现是开关处焊接错误，通过改正焊接后电路能正常工作。（3）数码管不能正常显示问题 在调试中数码管一度无法正常显示正确的选手号，经检查系CD4511中的一个焊盘脱落，将与之相连导线上的绿漆刮掉露出铜线，用导线将铜线与焊盘脱落处引脚相连后，能正常显示。6 总结与展望本设计详细介绍了八路抢答器的设计方案和功能。这种八路抢答器主要是基于CD4511集成芯片制作而成的，成本较低，能够应用于学校和一些企业的活动中。本设计主要讲述了抢答器的工作原理和工作过程。在说明工作原理的过程中，突出了抢答器设计中基本电路的组成单元以及这些单元如何实现抢答功能；结合本设计的内容，指出了各单元电路的设计方法和意义，以及如何进行抢答控制。在这次设计中遇到了很多的问题，在实际设计中也发现，理论与实践还是有一定的差异，电路设计是一个很灵活的东西，解决问题的逻辑思维和创新能力才是一个设计的灵魂所在。书本上的很多单元电路是可以借鉴的，但怎样将各个单元电路衔接好才是问题的关键。经过这段时间的努力，在老师和同学们的帮助下我终于完成了设计的所有工作。在做设计的过程中我复习了很多专业知识，也查阅了很多相关资料，不仅专业知识得到了巩固，而且知识储备量也有所增加，思考问题和解决问题的能力也得到了很大的提高。 通过本设计，我也发现了自己的很多不足，如考虑问题不很全面，专业知识掌握的不太牢固，掌握的电路应用软件不多等等，在今后的工作和学习中，我会正视自己的这些缺点，不断地提升自己。参考文献1 张欣,孙宏昌,尹霞.单片机原理与C51程序设计基础教程M.北京:清华大学出版社,2010.2 吴叶兰等.微机原理与接口技术M.北京:机械工业出版社,2010.3 康华光.电子技术基础(模拟部分)M.北京:高等教育出版社,2005.4 康华光.电子技术基础(数字部分)M.北京:高等教育出版社,2005.5 杨旭方.单片机控制与应用实训教程M.北京:电子工业出版社,2010.6 张肃文.高频电子线路M.北京:高等教育出版社,2005.7 胡翔骏.电路分析M.北京:高等教育出版社,2005.8 边春元等.C51单片机典型模块设计与应用M.北京:机械工业出版社,2008.9 宋戈等.51单片机应用开发范例大全M.北京:人民邮电出版社,2010.10 周润景,徐宏伟,丁莉.单片机电路设计、分析与制作M.北京:机械工业出版社,2010.11 赵保终.中国集成电路大全(TTL集成电路)M.北京:国防工业出版社,2009.12 周常森.电子电路计算机仿真技术M.山东:山东科学技出版,2009.13 汤德荣.基于八路抢答器的设计J.赤峰学院学报(自然科学版),2009.14 李锦蓉.基于单片机技术的电子抢答器系统设计J.黑龙江科技信息,2007,(04):43-61.15 王青萍.八路智力竞赛抢答器的设计J.湖北教育学院学报,2007,(08):22-28.16 丁建伟.抢答器电路设计J.兰州工业高等专科学校学报,2008,(02):18-27.17 梁超,肖静,邱志诚.一款基于单片机技术的电子抢答器J.机电工程技术,2005,(01):31-42.18 丁文秋.八路抢答器J.电子制作,2001,(1):57-63.19 程相波,卫安军.八路抢答器设计方法研究J.北京工业职业技术学院报,2007,(02):27-36.20 周功明,周陈琛.基于单片机AT89C2051的九路多功能智力竞赛抢答器的设计J.现代电子技术,2006(20):18-26.21 刘开绪.数字是抢答器的设计与实现J.电子工程师,2005,(09):43-61.22 致谢忙碌了半年的毕业设计已至尾声，在此我要向设计期间帮助我的老师和同学们致以真挚的谢意。特别感谢我的指导老师，在这次毕业设计中对我的耐心指导和帮助，还有系里各位领导在此期间对我的帮助和鼓励，使我在做设计的过程中信心十足。感谢学校给我这次毕业设计的机会和帮助。感谢和我一起探讨问题、相互启发的同学们。在这次毕业设计中，老师的教导和同学们的帮助，使我受益匪浅。他们的帮助，对于一个所学知识掌握并不牢固的我来说，要想在短短的几个月的时间里将学习到知识完全用于实践并完成毕业论文是很困难的事情。正是由于他们的帮助，是我顺利的完成了此次设计。所以，谢谢我的指导老师和同学们，谢谢各位领导，谢谢我的母校。